Memcached和Redis简介

前言：

目前比较流行的缓存技术无疑是Memcached和Redis，两套缓存技术有着诸多的相似之处，但又具备大量的显著差异，作为新生的方案，Redis被视为首选，但是有些场景Memcached发挥的作用是不容忽视的。

相似点：

1. Memcached和Redis都属于In-Memory、Key-Value数据存储方案，同属于NoSQL家族，都选择将全部数据存储在内存中。

2. 都是成熟的开源项目，Memcached由Brad Fitzpatrick 2003年开发而成，Redis则由Salvatore Sanfilippo于2009创建。

3. 简单易用，只需几分钟就可以完成安装工作。

不同之处：

1. Redis支持服务器端的数据操作： Redis相对Memcached拥有更多的数据结构，支持丰富的数据操作。

2. 内存使用率：Memcached简单的key-value存储，内存利用率更高，而如果Redis采用hash结构来做Key-value存储，由于组合式的压缩，内存利用率更高。

3.性能对比：Redis单核，Memcached可以使用多核，所以平均每一个核上Redis在存储小数据时比Memcached性能更高。而在100k以上的数据中，Memcached性能要高于Redis，虽然Redis最近也在存储大数据的性能上进行优化，但是比起Memcached，还有些差距。

结合以上特性下面从两者的事件模型，内存管理，数据类型、集群管理、持久化详细讲解一下

一、事件模型

相同之处：都是用epol来做事件循环

不同之处：redis是单线程服务器（这里的单线程是指除了主线程以外其他线程没有event loop），redis事件模型只有一个event loop，是最简单的reactor的实现。redis事件模型中有一个亮点，redis里面的fd（详细请百度）就是服务器与客户端连接socket的fd，通常根据fd找到具体的客户端信息，通常的处理方式就是用红黑树将fd与客户端信息保存起来，通过fd查找，效率是lgn，不过redis比较特殊，redis客户端的数量上限可以设置，即同一时刻知道redis打开的fd的上限，且进程的fd在同一时刻是不会重复的，所以redis使用一个数据，将fd作为数组的下标，数组的元素就是客户端的信息，这样通过fd就能订位客户端信息，查找效率是O(1),省去了红黑树的实现。

Memcached是多线程的，使用Master-Worker的方式，其中主线程负责接收连接，然后将连接分给各个worker线程，在各个worker线程中完成命令的接收，处理和返回结果。

二、内存管理

1. Memcached使用预先分配，预先分配一大块内存，然后接下来就从内存池中分配，这样可以减少内存的分配次数，提高效率。Memcached的采用Slab Allocation，内存的结构决定了Value值的大小最大只能为1MB。

Slab Allocation的原理：将分配的内存分割成各种尺寸的块（chunk），并把尺寸相同的块分成组，每一组被称为slab。Memcached的内存分配以Page为单位，Page默认值为1M，可以在启动时通过-I参数来指定。Slab是由多个Page组成的，Page按照指定大小切割成多个chunk。memcached在启动时通过-f选项可以指定 Growth Factor因子。该值控制slab之间的差异，chunk大小的差异。默认值为1.25。其结构图如下：

优缺点：Slab Allocation可以有效的解决内存碎片的问题，但是也会造成内存的浪费

1.每个slab的chunk大小是固定的，当item的占用空间实际小于chunk大小时，会出现内存浪费

2.每个slab的大小是固定的(因为page是固定的），当slab不能被他所拥有的chunk整除时，会出现内存浪费

3.按照Growth Factor因子生成指定大小的slab，而某slab id根本未被使用时，会出现内存浪费

2. Redis使用动态分配，由于C语言没有自带的GC，所以Redis的实现中封装了C的malloc，calloc，realloc和free函数来对自己的内存进行管理，这些实现都在zmalloc.h和zmalloc.c中。在Redis中，并不是所有的数据一直存储在内存中。当物理内存用完时，Redis可以将一些很久没用的Value交换到磁盘。Redis只会缓存所有的key，当Redis发现内存的使用量超过了一个阀值，将触发Swap操作，Redis根据“swappability = age*log(size_in_memory)”计算出哪些key对应的value需要swap到磁盘。然后再将这些key对应的value持久化到磁盘中，同时在内存中清除。这种特性使得Redis可以保持超过其机器本身内存大小的数据。当然，机器本身的内存必须要能够保持所有的key，毕竟这些数据是不会进行swap操作的。同时由于Redis将内存中的数据swap到磁盘中的时候，提供服务的主线程和进行swap操作的子线程会共享这部分内存，所以如果更新需要swap的数据，Redis将阻塞这个操作，直到子线程完成swap操作后才可以进行修改。当从Redis中读取数据的时候，如果读取的key对应的value不在内存中，那么Redis就需要从swap文件中加载相应数据，然后再返回给请求方。 这里就存在一个I/O线程池的问题。在默认的情况下，Redis会出现阻塞，即完成所有的swap文件加载后才会相应。这种策略在客户端的数量较小，进行批量操作的时候比较合适。但是如果将Redis应用在一个大型的网站应用程序中，这显然是无法满足大并发的情况的。所以Redis运行我们设置I/O线程池的大小，对需要从swap文件中加载相应数据的读取请求进行并发操作，减少阻塞的时间。

三、数据类型

Memcached仅支持简单的key-value结构的数据，Redis支持的数据类型要丰富得多。常用的由五种：String、Hash、List、Set和Sorted Set。Redis内部使用一个redisObject对象来表示所有的key和value。

四：集群管理

Memcached本身并不支持分布式，只能在客户端通过一致性hash这样的分布式算法来实现Memcached的分布式存储。 Redis更偏向服务端构建分布式存储，Redis Cluster是一个实现了分布式且允许单点故障的Redis高级版本，去中心化，具有线性可伸缩的功能。节点与节点之间通过二进制协议进行通信，节点与客户端之间通过ascii协议进行通信。在数据的放置策略上，Redis Cluster将整个key的数值域分成4096个哈希槽，每个节点上可以存储一个或多个哈希槽，也就是说当前Redis Cluster支持的最大节点数就是4096。Redis Cluster使用的分布式算法也很简单：crc16( key ) % HASH_SLOTS_NUMBER。

五：数据持久化

Memcached不支持数据持久化。Redis支持两种数据持久化RDB快照和AOF日志。

Redis Cluster引入了master-slave模式，每一个master都对应两个slave节点。

整体上说，两者的性能都很好，不必为哪个性能更高而纠结。不过，redis提供的持久化和数据同步机制，这些都是memcached没有的，所以如果你想要持久化，就只能用redis了。另外，memcached足以应付简单的键值存储，不过你要是想用更高级的数据结构，比如hash，list，set，zset之类的，redis提供了这些类型，用着更方便。